政安晨AI笔记：芯片极简史-了解人工智能的算力诞生

人工智能与芯片有着密切的关系，芯片是人工智能技术的基础和驱动力。

1. 人工智能需要处理大量的数据和复杂的计算。芯片提供了高性能的计算能力，使得人工智能算法能够高效地运行。例如，图像识别、语音识别和自然语言处理等人工智能应用需要进行大量的数据处理和模型训练，这些任务需要强大的计算能力来进行。

2. 人工智能技术需要高度的并行计算能力。芯片设计可以通过并行计算的方式提供更高效的数据处理能力。例如，图形处理单元（GPU）是一种在人工智能中广泛使用的芯片，它具有大规模并行处理的能力，能够加速训练深度学习模型。

3. 人工智能技术对芯片的能耗和功耗要求较高。芯片的能耗和功耗直接影响着人工智能算法的运行效率和成本。因此，芯片设计需要注重提高能源效率，以满足人工智能应用对低功耗和高效能的需求。

4. 随着人工智能技术的发展，一些特定的芯片架构和设计也被提出来，以满足人工智能应用的需求。例如，专用的人工智能芯片（ASIC）和神经网络处理器（NPU）等，这些芯片针对人工智能任务进行了优化，具备更高的计算效率和能耗效率。

那么，芯片到底是如何诞生的呢？

政安晨尝试用极短的篇幅列出芯片极简发展史，以便大家快速了解AI算力之源——芯片的起源。

1. 半导体的发现

     1882年的某天，爱迪生观察到灯泡内壁被熏黑，从而偶然发现了真空灯泡中存在着单向电流。但是直到15年后的1897年，汤姆逊发现了原子中的“电子”，人们才理解了这种真空中的单向电流。在此基础上，1904年，弗莱明利用真空灯泡中的单向电流效应发明了真空二极管。1906年，德福雷斯特在二极管的阴极和阳极之间插入了栅极，发明了真空三极管，它既能放大信号，又能做开关，在收音机、长途电话乃至电子计算机上得到了广泛应用。但是真空管具有速度慢、发热严重、故障率高、体积大等弊端，无法适应信息时代的要求，而解决这些难题需要一种全新的物质，这就是半导体。

    对半导体导电特性的理解离不开对微观粒子基本规律的认识，尤其是对原子中电子的特性的认识，而经典物理学无法解释一些现象，其中包括困扰爱迪生的灯泡发光效率低下的问题。由此，普朗克研究了背后的黑体辐射问题，并于1900年提出将辐射能量当作一份一份的“量子”，从而催生了量子物理学。

    此后，爱因斯坦、玻尔等进一步丰富了量子概念，直到海森堡提出了“不确定性原理”和薛定谔提出了“波动方程”，人们才对原子和电子有了深入的认识。在此基础上，威尔逊于1931年提出了“能带理论”，解释了半导体中电子的不确定性，以及由此产生的电流，从而为半导体二极管和晶体管的发明奠定了基础。

    第二次世界大战时期，为了改进雷达的接收性能，半导体整流器的研究开始加速，同时带动了硅和锗等半导体的研究。半导体整流器的研究可以追溯到1874年布劳恩发现了金属半导体界面上的单向整流。直到1939年，莫特等人在理论上取得突破，才用量子物理学解释了背后的机制。

    进一步，贝尔实验室的奥尔在1940年偶然间发现了硅中的PN结，能够作为单向整流器，为发明半导体放大器打下基础。

2. 晶体管的发明

    第二次世界大战后，贝尔实验室成立了由肖克利、巴丁和布拉顿组成的半导体晶体管攻关小组。肖克利提出了场效晶体管的概念，但因遇到技术困难没能实现。巴丁和布拉顿转而用两根金属尖触碰半导体，于1947年发明了第一个点接触晶体管。肖克利不甘认输，于第二年发明了“三明治”结构的结型晶体管，使之成为广泛应用的晶体管。

    晶体管的成功发明靠的并不是几个人的单打独斗，这其中既有许多偶然的因素（比如，奥尔发现PN结、布拉顿不小心清洗掉锗晶表面的氧化物），也有科学家的智慧引导（比如，巴丁的表面态理论、布拉顿的巧手和肖克利的半导体少数载流子理论）。当然也与贝尔实验室将不同学科的科学家和工程师凝聚在一起密切相关，正是他们彼此激发互助，才共同攻关完成了这一壮举。

    刚刚发明出来的晶体管稳定性差、难以批量生产、成本居高不下，这严重地阻碍了其大规模应用。为此，贝尔实验室不断地致力于晶体管的研发和更新换代。而让晶体管稳定运行的秘诀，在于把握纯度与杂质的平衡。

    1949年，贝尔实验室的蒂尔拉出了第一根锗单晶棒；1951年，普凡发明了区域精炼法。这些方法将晶体的纯度提高到了不可思议的程度，为下一步制造晶体管做好了准备。
     而为了制造晶体管，需要在本已足够纯净的晶体里掺进一些杂质。1952年，贝尔实验室的富勒发明了扩散技术，将三族或五族元素掺杂到半导体中，从而实现了大规模制备P型半导体和N型半导体，降低了制造成本。

    虽然锗晶体管是半导体技术的先行者，但依然有着不耐高温、不能在高频下工作的缺陷。1954年，德州仪器公司的蒂尔和贝尔实验室的塔嫩鲍姆用拉晶法做出了耐高温、高频率的硅晶体管。1955年，塔嫩鲍姆又用扩散法做出了成本更低的硅晶体管，这更适合大规模制备。

    1956年，肖克利离开贝尔实验室自主创业，将硅晶体管技术带到了加州。但肖克利管理不善，导致年轻骨干出走并成立了仙童半导体公司。这一意外事件使得硅技术“扩散”开来，从仙童半导体公司又延展出更多的创业公司，它们如同星星之火，在不经意间促成了硅谷的繁荣。

3. 发明集成电路

    晶体管数量增多会引发新问题，但也催生了新的电路形态，这就是集成电路。当晶体管数量增多，遭遇数量瓶颈，限制了电路规模的进一步扩大时，1958年，德州仪器公司的基尔比提出了“单片集成”的想法，主要是指用硅制作所有的电路元件并将其集成在硅晶圆上。基尔比做出了第一块用于演示的集成电路，但是没有解决元件互连的问题。

    1959年，仙童半导体公司的霍尼发明了平面晶体管。在此基础上，诺伊斯想到，可以利用平面工艺将所有元件都集成在硅晶圆的平面上，并通过晶圆上的金属线互连起来，从而解决互连问题，发明了可大规模制造的集成电路。

    但是，集成电路这个想法跟大多数人的直觉相抵触，成本高、制造困难，业界普遍不看好其应用。贝尔实验室等研究机构和公司提出了许多缜密的分析来论证集成电路的不可行性，从而“理性”地与这一重大发明失之交臂。

4. 半导体外延工艺制造突破

    1960年7月的一天，摩尔刚刚抵达匹兹堡，罗斯就在匹兹堡召开的固态器件研究会议上公布了外延工艺，解决了贝尔实验室最关心的晶体管速度和稳定性问题，这意味着它将在高速通信、航天和军事领域获得广泛应用。至今，外延工艺仍是半导体制造中最为重要和基础的工艺之一。

    1961年，仙童半导体公司就发布了基于外延工艺的晶体管，这让晶体管良率大大提高！此外，德州仪器公司和摩托罗拉公司等也热情地接受了外延工艺。

    罗斯于1963年获得了美国电气与电子工程师协会颁发的莫里斯利伯曼奖。他于1973年升任贝尔实验室副总裁，1979年成为总裁。

5. 场效应晶体管发布

    1963年2月，美国无线电公司发布了商用的MOS场效晶体管，摩尔认为，MOS场效晶体管结构简单、成本低廉，能方便地集成在芯片上。如果MOS场效晶体管和芯片结合起来，就能将芯片的优势更大限度地发挥出来。

6. 摩尔定律提出

    摩尔定律在还未广为人知之前，人们倾向于否定它；当它人尽皆知后，人们又开始神话它。其实，摩尔定律并不是摩尔一个人的定律。
 
     若非摩尔的同事和好友拉斯特辞职出走，就无法促成摩尔去说服业界投入芯片的研制，无法促使他琢磨如何让客户相信芯片会越来越便宜，进而提出“摩尔定律”。摩尔从仙童半导体公司研发的芯片中得到了一手数据，又从诺尔斯的下凹曲线中汲取了灵感，于1965年提出了未来十年每颗芯片中，元件数量每年翻倍的趋势。即便只预测了十年后的芯片规模将增长1000余倍，但业界也没有相信他。如果没有加州理工学院的米德四处宣讲，摩尔定律就无法在短时间内获得业界的广泛认同。

    1974年，IBM公司的登纳德提出了“登纳德缩小规则”，每一代晶体管尺寸只要缩小百分之三十，就能让芯片上的元件数量翻倍，同时让芯片速度提升百分之四十，而单位面积的发热功率则保持不变。此后三十年，晶体管基本按照“登纳德缩小规则”发展。
 
     1975年，摩尔修改了“摩尔定律”，将翻倍的节奏改为两年，这一趋势一直延续到21世纪的前十年。此后在制造成本、技术开发等压力下，摩尔定律预测的翻倍节奏有了放缓的趋势。

    关于摩尔定律有两个基本的认识错误：有人说芯片数量翻倍的周期是18个月，但摩尔从未说过这句话；摩尔的数量翻倍指的是所有元件的数量，而不只是晶体管数量，因为在有些芯片中，非晶体管元件（如电容器）会占相当大的比例。只要创新不停止，摩尔定律的有效性就会一直延续下去。

7. 处理器诞生

    计算是拉动摩尔定律不断获得验证的重要动力。自动计算的历史可以追溯到莱布尼茨和布尔。布尔在19世纪发现，只要把数值选择限定为0和1，就能把代数计算转化为逻辑计算，从而用开关来实现代数计算。图灵提出了通用图灵机的概念，使得计算机除了计算之外，还能够完成各种任务。

    20世纪以来，计算机分别采用继电器、真空管和分立的晶体管作为开关元件，体积十分庞大。

    20世纪60年代起，人们开始用芯片搭建计算机，伴随着MOS场效晶体管技术的成熟和芯片集成度的提高，到了60年代末，只需一颗芯片就能实现大部分计算功能。

8. 存储器诞生

    1963年，仙童半导体公司的罗伯特诺曼发明了静态随机存取存储器。1967年，IBM公司的罗伯特登纳德发明了动态随机存取存储器(D-RAM)，但因漏电被公司束之高阁。

    正是看到了半导体存储器的巨大前景，诺伊斯和摩尔于1968年离开仙童半导体公司，创立了英特尔公司，并于1970年推出了世界上第一款容量为1K的D-RAM。随着计算机的快速发展，D-RAM成了产量最大、最重要的存储器之一。

    然而，D-RAM在掉电后无法保存数据。1967年，贝尔实验室的姜大元和施敏发明了浮[栅=shan1]晶体管，可用于掉电后保持数据的存储器。在此基础上，英特尔公司的多夫弗罗曼于1971年发明了可擦除可编程只读存储器，其灵活的擦除功能推动了CPU的进一步发展。1977年，休斯飞机公司的伊莱哈拉里发明了电可擦可编程只读存储器。

9. 精简CPU架构提出

    同时在那个年代，英特尔公司的霍夫于1969年提出了精简的CPU架构，他的同事法金于1971年设计并做出了第一颗CPU芯片四零零四。跟所有新生事物一样，CPU在英特尔公司内部也险些夭折。

    伴随着个人计算机和CPU的兴起，英特尔公司和超威半导体公司成为最重要的芯片生产商。

    法金于1974年离开英特尔公司，成立了齐洛格公司，与英特尔公司在芯片开发与生产领域展开竞争。1984年，齐洛格公司的弗里曼发明了一种更灵活的FPGA芯片，成为CPU的重要补充。

10. 模拟芯片成型

    在此之外，还有一类芯片称为模拟芯片，它起着放大信号、滤波和驱动等作用，是整个系统的眼耳鼻舌皮肤。

    最基础的模拟芯片是运算放大器。1964至1965年，仙童半导体公司的维德勒设计了集成运算放大器μA702和μA709。1968年，他又设计了集成运算放大器LM101，并发明了带隙基准电压源。除运算放大器之外，模拟芯片还包括ADC、DAC等。

    无线通信，从1G到5G、WiFi、蓝牙、射频识别技术的发展促进了射频芯片，包括锁相环、功率放大器的发展，使得我们今天的上网速率越来越快，帮助我们摆脱了传输线的束缚。

11. 传感器发明

    模拟电路的前端，还需要能感知信号的传感器电路。1982年，IBM公司的彼得森发表了关于微机电系统的综述文章，使芯片领域和微机械领域的研究者汇集起来。如今，微机电系统芯片在汽车安全气囊、烟雾警报、基因测序、病毒核酸检测等方面有着广泛的应用。

    与感知相对应的是驱动。1979至1980年，通用电气公司的巴利加和美国无线电公司的惠特利分别发明了IGBT器件，现已广泛用于电动汽车、高铁、自动体外除颤器、冰箱、空调等领域。

12. 芯片生产工艺持续进步

    1972年，低温离子注入法问世，替代了使用近20年的高温扩散法。

    1974年，等离子[干=gan1]法刻蚀问世，替代了传统的湿法刻蚀，从而实现了更精细的加工。

    1977年，在米德和林恩康韦的推动下，用计算机辅助设计芯片开始成为主流。

    1980年，IBM公司成功研制深紫外-准分子激光光刻技术。

    1982年，一种对紫外光高灵敏的化学放大光阻剂研制成功，大大加速了芯片制造过程。

    1987年，第一家专门做晶圆代工的企业——中国台湾积体电路制造股份有限公司（简称台积电）成立，开创了一种新的半导体制造模式。

    1992年，美国半导体行业协会制定了第一幅半导体发展路线图，7年后发布了国际半导体技术发展路线图。

    1997年，IBM公司和摩托罗拉公司提出用铜互连替代铝互连，大大降低了线间时延。

    2002年，英特尔公司开始采用12英寸晶圆量产芯片。

    2004年，浸没式193纳米光刻设备问世，使得摩尔定律继续朝着150纳米以下的节点推进。

    2007年，英特尔公司发布了处理器发展的“嘀嗒”模式，分别对应于工艺升级和结构升级。这一年，苹果发布第一代iPhone。

    2011年　英特尔采纳胡正明教授发明的FinFET，帮助业界将工艺推进到22纳米以下。

    2016年，随着摩尔定律放缓，“嘀嗒”模式被改进为“工艺结构优化”模式，处理器的升级周期变长。

    2018年，EUV光刻机开始由荷兰阿斯麦尔公司发货。

    2020年，台积电公司和三星公司用FinFET工艺量产5纳米制程的晶体管。

    芯片制造最大的突破之一在于光刻技术的发明。光刻技术起源于飞机制造中使用的光阻剂，利用光阻剂，贝尔实验室和戴蒙德军械引信实验室于20世纪50年代分别发明了光刻技术，而后者的第一台“光刻机”实际上是从一台显微镜改装而来的。

    随着晶体管尺寸不断地缩小，光刻采用的紫外光波长也需要不停地缩短。进入21世纪，193纳米光刻技术一直无法推进至下一代157纳米光刻技术。2002年，台积电公司的林本坚又一次提出浸没式光刻技术，但遭到了业界质疑。不过在台积电公司和阿斯麦尔公司的推动下，浸没式光刻机问世，将摩尔定律成功地推进了7代，工艺节点从45纳米演进到7纳米。

    随着晶体管尺寸缩小，漏电变得严重，沿用了40多年的平面晶体管结构越来越无法满足应用需求。1995年，加州大学伯克利分校的胡正明提出了三维立体结构的晶体管，发明了FinFET。2011年，在22纳米工艺节点，FinFET正式替代了平面晶体管成为主流，而后一直沿用到了3纳米、1.5纳米、1纳米工艺节点。

13. 写在最后

    伴随着晶体管尺寸从微米级别缩小到纳米级别，摩尔定律的提出已经有近60年的时间。

    曾经让半导体开关成为可能的，是量子物理学，而如今让晶体管失效的，也是量子物理学。在极小尺寸下，量子隧穿将占主导作用，使得逻辑计算[0.1秒]所依赖的0和1之间的界限变得越来越模糊。由此，晶体管尺寸的缩小之路即将走到尽头。

    但是人们并未甘心，他们仍在辗转腾挪，设法拖延这一天到来的时刻，这就是“延续摩尔”这条路径的策略。除此之外，人们还在设想将各种不同功能的芯片集成起来，形成功能更丰富的应用，这是“扩展摩尔”之路。当然，人们也在探索MOS场效晶体管以外的新型器件，这是“超越摩尔”之路。

    在芯片技术之外，人类面临着环境、疾病和能源等方面的各种挑战，这些都对芯片技术提出了新的需求。芯片并不是一项孤立的技术，它与人类和环境共同构成了一个彼此依存的世界。

    变化永远存在，而新的疑问也会不断地涌现，如何摆脱过去的束缚，寻找明天的突破，仍是一代又一代人类努力的方向。